Наблюдение за Большим взрывом через гравитационные волны

Астрономы не совсем уверены, что произошло, когда Вселенной было меньше секунды, но они точно знают, что это было богатое событие. Космологические наблюдения показали, что Вселенная слишком гладкая и слишком однородная в самом большом масштабе, учитывая стандартную картину Большого взрыва и известный возраст Вселенной. Далекие области Вселенной имеют примерно одинаковую температуру, несмотря на то, что их разделяют миллиарды световых лет. В истории космоса просто не хватило бы времени, чтобы эти области обменялись теплом.

Чтобы объяснить эти наблюдения, космологи посчитали, что когда-то давным-давно эти далекие области Вселенной были намного ближе друг к другу, что позволило им достичь общей температуры, прежде чем они разошлись. Космологи выдвинули теорию о событии, известном как инфляция, которая выполнила работу по разлету. До инфляции Вселенная была очень маленькой, а температуры и плотности уравновешивались. Но затем произошла инфляция, в результате чего все улетело от всего за очень короткий промежуток времени, что объяснило, почему очень далекие участки Вселенной выглядят почти одинаково.

Инфляция произошла задолго до того, как Вселенной исполнилась хотя бы одна секунда, и это событие длилось менее одной миллиардной миллиардной миллиардной доли секунды. Но за этот чрезвычайно короткий промежуток времени Вселенная стала на миллиарды, миллиарды и миллиарды (и, вероятно, их там еще несколько миллиардов) больше, чем было раньше. Астрономы увидели свидетельства инфляции в особой структуре света, наблюдаемой в космическом микроволновом фоне, излучении, оставшемся с того времени, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет. Но помимо этого, астрономы не знают, что вызвало инфляцию, что заставило ее действовать и что заставило ее остановиться.

Одна из самых больших загадок современной космологии — это то, что произошло в конце инфляционной эпохи. Видите ли, процесс инфляции (какой бы он ни был) действительно хорош для сглаживания, увеличения масштабов и охлаждения всего. Итак, вскоре после того, как инфляция закончилась, Вселенная была большой, холодной и пустой — что определенно не соответствует условиям, которые мы наблюдаем в ранней Вселенной.

Вместо этого вскоре после инфляции Вселенная была заполнена горячим, неистовым супом из частиц. Космологи считают, что для того, чтобы это произошло, все, что приводило к инфляции, распалось, высвобождая энергию и повторно нагревая (теперь намного большую) Вселенную потоком частиц, которые мы знаем и любим сегодня. Было бы совершенно справедливо считать этот процесс разогрева «настоящим» Большим взрывом — механизмом, с помощью которого расширяющаяся Вселенная заполнилась частицами и излучением.

Наблюдать за процессом разогрева и самим надуванием невероятно сложно. Это потому, что когда Вселенная была моложе 380-ти тысяч лет, она была плазмой и непрозрачной. Мы просто не можем заглянуть в прошлое дальше — по крайней мере, с помощью света. Но процессы инфляции и повторного нагрева не просто наводнили Вселенную энергией и излучением; они также выпустили огромное количество гравитационных волн. Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, движущаяся со скоростью света. Прямо сейчас гравитационные волны накатывают на вас из множества источников, включая сливающиеся черные дыры, сверхновые звезды и всевозможные другие явления высокой энергии и высокой плотности в космосе.

Также прямо сейчас вас омывают гравитационные волны, оставшиеся от инфляции и повторного нагрева. Эти процессы генерировали столько энергии, что были способны сотрясать само пространство-время, и эти гравитационные волны — так называемые «изначальные» гравитационные волны — все еще колеблются в космосе сегодня.

В течение многих лет космологи изучали возможные сигналы гравитационных волн, испускаемые инфляцией. Но новое исследование, которое недавно было опубликовано в базе данных препринтов arXiv, более пристально рассматривает процесс повторного нагрева в конце инфляции. Исследователи обнаружили, что различные модели повторного нагрева приводят к очень отчетливым и потенциально обнаруживаемым сигнатурам в первичных гравитационных волнах. Например, мы не знаем, был ли разогрев медленным и нежным или более резким. Эти два гипотетических сценария приводят к очень разным сигнатурам гравитационных волн.

Эти изначальные гравитационные волны слишком низкочастотны, чтобы их можно было наблюдать с помощью наших современных детекторов, таких как лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн в США и интерферометр Девы в Европе. Но будущие космические обсерватории, такие как предложенная Европейским космическим агентством космическая антенна с лазерным интерферометром и Big Bang Observer, будут специально разработаны для поиска первичных гравитационных волн.

Прямое наблюдение этих первичных гравитационных волн предоставит железные доказательства процесса инфляции и поможет нам понять физику, которая в него вошла. И, согласно новой работе, мы также получим подсказки о повторном нагреве, окончании инфляции и детальной физике, которая породила Вселенную в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.

Ранее SKNews рассказывал, что многие теории ранней Вселенной предсказывают, что космос должен быть затоплен трещинами в пространстве-времени, называемыми космическими струнами, но никаких космических струн еще не обнаружено. Возможно, придется искать их не с помощью традиционной астрономии, а по их гравитационно-волновой сигнатуре, которая может сохраняться в пространстве-времени еще долго после того, как космическая струна исчезла.